Od czasu do czasu naukowcy muszą tak bardzo kontrolować proces mieszania się cieczy w naczyniach
Obecnie biologowie, chemicy i farmaceuciczęsto stosuje się mikroreaktory, często zintegrowane z miniaturowymi instalacjami, które są zaprojektowane do przeprowadzania kilku etapów syntezy chemicznej określonego produktu, tak zwane platformy „laboratory-on-chip”. Te małe pojemniki z małymi wgłębieniami od wewnątrz mogą mieć wielkość od kilku milimetrów sześciennych do kilku centymetrów sześciennych - nie więcej niż pudełko zapałek. Pozwalają jednak na badanie krwi, mieszanie mikroskopijnych dawek substancji w celu stworzenia wysoce skutecznych leków i przeprowadzanie eksperymentów na komórkach.
Artystyczne ujęcie proponowanego schematu aktywnego nanomieszania (po lewej) i promieniowej separacji nanocząstek (po prawej).Nanokostka krzemowa zanurzona w roztworze wodnym jest oświetlana przez wiązkę lasera spolaryzowaną kołowo pochodzącą z góry.
Jest jednak jeden problem z nimipraca: naukowcy praktycznie nie kontrolują prędkości mieszania ani, z naukowego punktu widzenia, dyfuzji cieczy i odczynników w takich laboratoriach na krysztale. Naukowcy z Uniwersytetu ITMO i ich koledzy z Czeskiej Akademii Nauk zaproponowali metodę, która może pomóc rozwiązać ten problem: zdecydowali się na użycie tak zwanego ciśnienia promieniowania.
Już pod koniec XIX wieku brytyjski naukowiec James Clerk Maxwell zaproponował, że światłoWkrótce rosyjski uczony Piotr WielkiJednak siła takiej interakcji jest bardzo mała i w tamtym czasie nikt nie znalazł dla niej zastosowania.Obecnie istnieje cała dziedzina nauki zwana optomechaniką, która skupia się na tym zjawisku, a w 2018 roku Nagroda Nobla została przyznana profesorowi Arthurowi Ashkinowi za pionierską pracę w tej dziedzinie.Światło służy do wychwytywania żywych komórek i przemieszczania maleńkich cząstek substancji.Teraz okazuje się, że te same siły można wykorzystać do mieszania cieczy.
"Nasza nanoantena zamienia światło spolaryzowane kołowo w wir optyczny, a energia świetlna obraca się wokół niego".
Alexander Shalin, profesor, Wydział Fizyki, Uniwersytet ITMO
Na podstawie najnowszych odkryć w tej dziedzinieoptomechanicy, naukowcy z Petersburga opracowali nanoantenę składającą się z maleńkiego krzemowego sześcianu o wielkości około 200 nanometrów. To niewidoczne dla ludzkiego oka urządzenie może w szczególny sposób skutecznie oddziaływać na światło.
Oprócz nanoanten naukowcy zaproponowali również wprowadzeniezłote nanocząstki w cieczy. Cząstki wychwycone przez wir optyczny zaczynają obracać się wokół sześcianu krzemu, działając jak „łyżka” do mieszania odczynników. Co więcej, rozmiar takiego układu jest tak mały, że może setki razy zwiększyć dyfuzję w jednym rogu mikroreaktora, praktycznie bez wpływu na to, co dzieje się w drugim.
"Złoto jest chemicznie obojętnym materiałem, który rzadko reaguje.Co więcej, musieliśmy zaprojektować go tak, aby tylko nanocząstki i ciśnienie promieniowania działały na nanocząstki, aby inne siły nie powodowały ich przyciągania w kierunku anteny, w przeciwnym razie cząstki po prostu by się do niej przykleiły.Efekt ten obserwuje się dla cząsteczek złota o określonej wielkości, jeśli oświetlimy układ konwencjonalnym zielonym laserem.Przyjrzeliśmy się zastosowaniu innych metali, ale na przykład w przypadku srebra ten efektobserwuje się tylko w zakresie ultrafioletu, co jest mniej wygodne, ale możebyć użyteczne dla poprawy wydajności niektórych reakcji aktywowanych fotochemicznie".
Adrianos Valero, jeden z głównych autorów badania
Nawiasem mówiąc, ta metoda może być używana nie tylko domieszanie cieczy, ale także do sortowania nanocząstek złota: jeśli naukowcy muszą wybrać do eksperymentu cząsteczki złota o określonej wielkości, na przykład 30 nanometrów. Do tej pory system jest w pełni zaprojektowany i opracowano dla niego model teoretyczny. Kolejnym krokiem będzie przeprowadzenie eksperymentów.